工業水池設計要點淺析

劉蘭蘭,胡 楊,馮雪花

(大連市化工研究設計院,遼寧 大連 116023)

工業水池設計要點淺析

劉蘭蘭,胡 楊,馮雪花

(大連市化工研究設計院,遼寧 大連 116023)

針對鋼筋混凝土矩形水池結構的特點,從荷載的選取與組合、內力計算方面,介紹了鋼筋混凝土矩形水池設計時應該注意的問題;探討了保證水池結構設計技術的經濟合理及安全有效的簡化計算。在滿足工藝條件和保證安全使用的前提下,通過對比分析,總結了開敞式鋼筋混凝水池計算的簡化方法,供同行參考。

矩形水池;荷載組合;簡化計算

水池是工業設計項目中不可缺少的重要構筑物,在純堿、干銨等各類廠房建筑中,由于工藝要求,一般都會包含對水池的設計(例如污水池、緩沖池等)。池體結構一般由池壁、底板和頂蓋所組成。從結構類型來看,水池可分為無頂蓋的開敞式池、有頂蓋的封閉式池和帶走道板的半封閉式池;按幾何形狀分為:圓形和矩形;按安置方式可分為:地下式、半地下式和地上式;因建筑材料不同又可分為:磚池、漿砌石池、鋼筋混凝土池等。

鋼筋混凝土矩形水池,在工業水池設計中占較大比例。一方面,矩形水池對場地適應性較強,特別是在狹長地帶,矩形水池有利于節約用地、減少開挖,同時又便于配合工藝要求進行水池間的組合和管道連接;另一方面,矩形水池的模板制作以及施工簡單;另外,鋼筋混凝土的主要優點是便于取材,耐久性、防腐蝕、防滲性能好。

對于土建人員來講,即要滿足工藝要求,又要使結構設計合理,計算簡便。本文結合某干銨廠房其中的一個環保池的設計過程對鋼筋混凝土矩形水池的計算進行總結,并提出了合理可靠簡便的計算方法。

1 截面尺寸的確定

水池的主要尺寸由工藝要求及設計技術條件確定。現澆整體式頂板的厚度:當采用肋梁頂蓋時不宜小于100 mm,當采用無梁板時不宜小于120 mm。水池池壁的厚度:一般認為從構造要求出發,池壁壁厚宜選取在150～300 mm,如果厚度過大對溫度應力不利,太薄會使混凝土受壓區變小對設計不利,同時也會造成施工困難。底板厚度:采用分離式底板時,底板厚度不宜小于120 mm,并在底板頂面配置鋼筋網,必要時也要在底板底面配置,確保底板在溫度、濕度變化影響下以及地基中存在局部軟弱土層時不至于開裂;整體式底板的厚度:當采用肋梁時不宜小于120 mm,當采用平板或無梁底板時不宜小于150 mm。水池底板一般應挑出,挑出長度宜為1～1.5倍的池壁厚度。

2 荷載的選取與組合

2.1 荷載的分類

2.1.1 頂板荷載

對于有頂蓋的封閉式水池,頂板作用的荷載由恒載及活載組成,恒載包括覆土荷載和頂板自重;活荷載包括頂板活荷載和地面活荷載。全地下水池,只考慮地面活荷載;半地下式或地面水池,只考慮頂板活荷載;敞口水池無頂板荷載計算。

2.1.2 池壁荷載

池壁作用的荷載包括:池內水壓力、池外土壓力、池外地下水壓力、地面活荷載及溫度(濕度)作用產生的應力。

1)池內水壓力(作用于壁板內側)是水池承受的主要荷載之一,偏于安全考慮按滿池來計算水壓。

2)對地下或半地下式水池,土對池壁有側壓力。側壓力通常用朗肯土壓力理論計算,土的各參數可按巖土勘察報告所提供的實際數值取用。

3)當地下水位線在水池埋置深度范圍內,池壁外側除考慮地下水位以下的土由于水浮力使土的有效重度降低而對土壓力的影響。同時,地下水對池體的托浮也不容忽視,設計時應進行抗浮穩定驗算,并采取有效措施防止水池漂浮事故發生。

2.1.3 底板荷載

池底所受的荷載為地基反力,一般按均布考慮,在計算地基反力的過程中,不應把池內液體的自重加入計算,因為池內液體的自重對于底板而言為有利條件,它的存在可以削弱地基反力對底板的影響。地下水壓力對水池底板的托浮力是威脅水池底板安全的一種主要荷載,設計過程中應予以重視。為了抵消地下水對底板的影響,在無梁板作為底板時,其最經濟最有效的辦法是以池底挑出部分的填土來平衡,而采用增加結構自重的方法是不經濟的。

2.1.4 溫、濕度荷載

由于混凝土硬化過程中產生的水化熱、工藝要求以及季節變化等,造成池壁產生膨脹和收縮。當變形受到約束時,在池體中產生相應的溫度或濕度應力,從而導致混凝土池壁產生裂縫。對于冬夏或早晚溫、濕差較大的地區,溫、濕度荷載計算不可忽略[1]。

2.2 荷載的組合

水池設計中通常考慮以下三種工況:

①池內水壓+自重(對應工況為:池內有水,池外無土)。

②池外土壓+自重(對應工況為:池內無水,池外有土)。

③池內水壓+自重+溫、濕度荷載。

第①種工況為閉水試驗;第②種工況為池內無水(如建成運營前、檢修期),而池外有土,同時還需考慮地面堆積荷載以及池外地下水壓力共同作用。

第①、②種工況是半地上式和地下式水池的必需組合;第③種工況用于冬夏或早晚溫、濕差大的地區,并且沒有采取任何保溫措施的水池。

3 內力計算

水池的內力計算包括池壁內力計算和底板內力計算。不同邊界條件和地基反力模型的選取對水池的內力計算結果有很大影響。底板計算時,視水池底板的結構形式而定,當水池池壁采用獨立基礎時,底板的反力按直線分布考慮;對于一般結構平面尺寸較小的水池,底板多為等厚平板,須按不同荷載情況計算內力,再進行組合疊加。

以下重點介紹池壁內力計算的方法及其應注意的問題。

水池池壁的內力按彈性理論計算,矩形水池的壁板為矩形板,其計算可按混凝土結構矩形板的計算方法劃分為單向板和雙向板進行計算。

矩形水池的水平轉角在計算假定時,被認為是相鄰池壁的支座,池壁要承擔水(土)壓力引起的邊緣負彎矩,因而受力鋼筋需要可靠的錨固。又因池壁較薄,受力鋼筋通常需要彎折到相鄰池壁中,這樣由于鋼筋相互錨固,以及連續配筋和構造配筋,從而節點處可認為固接,如圖1所示。

圖1 開敞式全地下矩形水池計算簡圖

池壁底端土壓力標準值為:q=γH Ka

式中:Ka=tan2(45°-);

q——池壁底端土壓力標準值,kN/m2;

γ——土的天然重度,kN/m3;

H——池壁的高度,m;

L——池壁長度,m;

Ka——主動土壓力系數;

φ——土的內摩擦角C0。

為了便于對比分析,本文針對開敞式矩形水池池壁分別取三種模型:H=3.0 m、H=4.0 m和 H=5.0 m,三種模型的 H/L(L為池壁長度,H為池壁高度)的值對應相同,不考慮地下水及地面活荷載的影響,荷載取第②種工況組合,土的內摩擦角取30°,土的重度取 18 kN/m3。

則當:

H=3.0 m時 q=γH Ka=18 kN/m2

H=4.0 m時 q=γHKa=24 kN/m2

H=5.0 m時 q=γHKa=30 kN/m2

具體如表 1、2、3。且表 1、2、3中:

M下——池壁底部外側彎矩;

M左、M右——池壁兩側(如圖1為左側和右側)的彎矩;

M水平、M豎向——池壁內側跨中彎矩。

表1 H=3.0m,q=18 kN/m2

表2 H=4.0 m,q=24 kN/m2

表3 H=5.0 m,q=30 kN/m2

圖2 池壁底部外側彎矩與 H/L的關系

由表1、2、3中數據可知:當時 L/H ＜0.5,板底彎矩為零;當 L/H＞0.5時,無論是按單向板還是雙向板考慮,都是池壁底部外側彎矩起控制作用;圖2能明顯的看出:3條曲線外形一致,而且有著同樣的“拐點”,而“拐點”對應的橫坐標幾乎為同一點,為L/H=2.8處。當 L/H＞2.8時,按板計算時的底部外側彎矩趨于定值(M定)。

下面把3種模型中當L/H＞2.8時的池壁做簡化計算:取1 m寬的豎向板帶,如圖3所示,簡化為懸臂梁(梁寬1 m,梁高為板厚),如圖4所示。

圖31 m寬板帶

以下對圖4懸臂梁底端最大彎矩 M懸與L/H＞2.8時,按板計算時的底部外側彎矩 M定進行比較:

圖4 懸臂梁

通過以上對比可知:當 L/H＞2.8時,在水平荷載作用下按板計算得出的池壁底部外側彎矩均小于按簡化懸臂梁的底部最大彎矩,所以實際工程中可以把滿足L/H＞2.8的開敞式水池池壁簡化為懸臂梁計算。通常把L/H取整,即L/H=3作為劃分單、雙向板的界限,這樣偏于安全。

4 結 論

1)當L/H＞3時,池壁可為單向板考慮,在水平荷載作用下,荷載幾乎全部沿豎向傳遞。計算時沿池壁長度方向L向取1 m寬板帶作為計算單元,池壁按豎向單向板算,對于開敞式水池池壁即按懸臂板計算。

2)當0.5≤L/H≤3時,池壁為雙向板,在水平荷載沿2個方向傳遞,且荷載傳遞復雜,首先按單塊雙向板用查表法進行計算,再考慮相鄰壁板之間的變形連續性,按相鄰板的線剛度比對板端彎矩進行調整,最終求得板的跨中彎矩。對大型、重要的雙向板池宜用整體分析方法。

3)當L/H＜0.5時,在大于池壁高度2L的范圍內荷載全部沿水平向傳遞,此范圍內的壁板按水平單向板計算;在池壁高度2L以下荷載沿2個方向傳遞,此范圍內的壁板按雙向板計算,H=2L處視為雙向板的自由端。

[1]GB50069-2002給排水工程構筑物結構設計規范[S].

[2]CESC138-2002給排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].

[3]建筑結構構造資料集編委會.建筑結構構造資料集[S].北京:中國建筑工業出版社,2006

[4]朱彥鵬.特種結構[M].武漢:武漢工業大學出版社,2002

[5]宋京衛.關于常見鋼筋混凝土水池設計的幾點體會[J].華北石油設計,2002(2):15～17

[6]王兆霞.鋼筋混凝土矩形水池的設計[J]國外油田工程,2003(10):41～43

[7]郝素英,鋼筋混凝土水池設計計算手冊[M].北京:中國建材工業出版社,2006

TU 279.7

:B

:1005-8370(2011)02-25-05

2010-12-15

劉蘭蘭(1982—),2010年畢業于西南交通大學土木工程學院,工學碩士。